2.6. Энергетические показатели работы асинхронной машины

Основными энергетическими показателями работы асинхронной машины являются ее КПД и коэффициент мощности cos. КПД цепи ротора определяется как

(2.57)

где - мощность, передаваемая на ротор.

Следовательно, КПД ротора снижается при увеличении скольжения.

КПД асинхронной машины определяется из следующих соображений: активная мощность, потребляемая из сети, равна

(2.58)

Мощность на валу

(2.59)

то есть КПД электродвигателя

(2.60)

Для крупных электрических машин при а  0 уравнение (2.60) вырождается в (2.57), то есть КПД двигателя практически становится равным КПД его ротора.

В рекуперативном режиме КПД асинхронной машины равен

(2.61)

Из сравнения уравнений для определения КПД в двигательном и генераторном режимах следует, что при равных модулях скольжения КПД в двигательном режиме всегда больше КПД в рекуперативном режиме.

Коэффициент мощности без учета контура намагничивания определяется

(2.62)

С учетом уравнения для определения критического скольжения из (2.62) определяем

(2.63)

Из анализа (2.63) следует, что при увеличении скольжения cos¹₁ уменьшается и при ,

Для того, чтобы учесть реактивную энергию, потребляемую из сети, необходимо рассмотреть векторную диаграмму 1,2, из которой получаем

(2.64)

Подставляем в (2.64) вместо I₂ и I₁ их значения и получаем

. (2.65)

Из анализа (2.65) следует, что при скольжении, равном нулю, cos₁=0, то есть в режиме идеального холостого хода электродвигатель потребляет из сети только реактивную энергию. При увеличении скольжения cos₁ сначала возрастает, а затем понижается. Максимум коэффициента мощности имеет место при

(2.66)

Обычно

При равных модулях скольжения коэффициент мощности ротора в рекуперативном режиме меньше, чем в двигательном.

Кривые зависимостей cos¹₁ = f (S) и cos₁ = f (S) приведены на рис. 2.18.

Рис.2.18. Кривые зависимостей коэффициентов мощности от скольжения

В настоящее время АООТ “Электропривод” разработан и подготовлен к выпуску компенсированный асинхронный электродвигатель, содержащий встроенный блок компенсации, который обеспечивает в рабочем диапазоне автоматическое поддержание коэффициента мощности на уровне единицы при увеличении КПД на 0,5 – 1%.

2.7. Характеристики синхронных электродвигателей

Схема включения синхронной машины приведена на рис.2.19. Отличительной особенностью синхронного электродвигателя является то, что на рабочем участке его скорость не зависит от нагрузки и определяется как

, (2.67)

где р – число пар полюсов;

f – частота напряжения питания.

Рис.2.19. Схема включения синхронной машины

Поэтому его механическая характеристика представляет из себя прямую линию, параллельную оси абсцисс (рис.2.20), то есть жесткость ее равна бесконечности. Однако мгновенные значения скорости синхронного двигателя могут отличаться от скорости идеального холостого хода в результате отставания ротора от поля статора, например, при набросе или сбросе нагрузки на валу.

Рис.2.20. Механическая характеристика синхронной машины

Однако мгновенные значения скорости синхронного двигателя могут отличаться от скорости идеального холостого хода в результате отставания ротора от поля статора, например, при набросе или сбросе нагрузки на валу.

Значительно больший интерес представляет собой угловая характеристика синхронной машины – это зависимость ее момента от угла  сдвига фаз между ЭДС двигателя и напряжением сети: М = f (), которая определяется из упрощенной векторной диаграммы, приведенной на рис.2.21.а, где

I* - вектор фазного тока статора;

E*, U*_c – векторы фазных ЭДС и напряжения статора соответственно;

Х_с – индуктивное сопротивление фазы статора;

 - угол сдвига между током и напряжением статора;

 - угол сдвига между напряжением и ЭДС статора.

При построении диаграммы считается, что машина является неявнополюсной и активное сопротивление статора примерно равно нулю, то есть активная мощность, потребляемая из сети, полностью передается на ротор двигателя, следовательно

(2.68)

а) б)

Рис.2.21. Векторная диаграмма и угловая характеристика синхронной

машины

Из рис. 2.21а следует

а из треугольника АВС получаем

.

Следовательно

.

Подставим это выражение в (2.68) и получим

. (2.69)

Уравнение (2.69) описывает зависимость момента синхронной машины от угла , график ее приведен на рис.2.21 б.

Здесь максимум момента имеет место при  =  /2. Величина этого момента характеризует перегрузочную способность синхронной машины. Обычно  = М_макс / М_н = 2 – 3.

Зона при    /2 является зоной неустойчивой работы синхронного двигателя, когда он может выпасть из синхронизма. Номинальный угол  составляет 25 – 30 .

Если синхронная машина имеет явно выраженные полюса, то к моменту, определенному (2.69), добавляется реактивная составляющая и тогда общий момент определяется как

, (2.70)

где Х _d, Х_q – индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям соответственно.

Зависимости тока синхронной машины от ее тока возбуждения, приведенные на рис.2.22, называются U - образными характеристиками.

Р1  Р2  Р3

Рис.2.22. U – образные характеристики синхронной машины

Кривая cos = 1 является регулировочной характеристикой электродвигателя; Р₁, Р₂, Р₃ – значения нагрузки. Слева от кривой cos = 1 - двигатель недовозбужден и потребляет из сети реактивную энергию; справа – перевозбужден и генерирует в сеть емкостную энергию.

Слева U – образные кривые ограничиваются условиями устойчивой синхронной работы, а справа – условиями нагрева машины.

Пуск синхронной машины может осуществляться с помощью вспомогательного двигателя, когда последний разгоняет его до скорости идеального холостого хода или с помощью специальной пусковой обмотки (асинхронный пуск). Наиболее распространен асинхронный пуск. Для этого на роторе синхронной машины располагается специальная короткозамкнутая пусковая обмотка, и машина пускается как асинхронная.

Для защиты от перенапряжений обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление. По условиям нагрева короткозамкнутые обмотки не могут работать в продолжительном режиме и время их работы не должно превышать 20 – 30 секунд.

В настоящее время, в связи с появлением и широким распространением преобразователей частоты появилась возможность частотного пуска и регулирования скорости синхронных машин.

Торможение синхронных машин осуществляется в режиме рекуперации или динамического торможения. Для осуществления динамического торможения в обмотку статора включаются добавочные сопротивления, а в цепь ротора подается ток возбуждения (рис.2.23). Механические характеристики при этом имеют такой же вид, как и у асинхронных машин в режиме динамического торможения.

Рис.2.23. Схема динамического торможения

синхронной машины

Синхронные электродвигатели занимают в промышленности значительное место, так как с учетом их компенсационной способности имеют высокие энергетические показатели и сравнительно низкую стоимость.

Важной особенностью синхронных машин является то, что они менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные, так как их максимальный момент пропорционален напряжению сети в отличие от асинхронных машин, чей момент пропорционален квадрату напряжения.

Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть увеличена, в том числе и автоматически, за счет увеличения тока возбуждения, например, при резком возрастании нагрузки на валу.

Технико – экономический анализ 1,2 показывает, что стоимости асинхронных и синхронных машин средней мощности примерно равны, но при увеличении мощности синхронные двигатели становятся дешевле асинхронных, что связано с удорожанием изготовления роторов последних. Однако с учетом производства реактивной энергии синхронные двигатели, с мощностями даже ниже 100 кВт, оказываются дешевле, чем аналогичные асинхронные с компенсационными устройствами. В России синхронные машины мощностью до 1000 кВт выпускаются ОАО «СЭЗ» (г. Сафоново), мощностью до 31500 кВт – АО «Привод» (г. Лысьва).

В нефтегазодобывающей промышленности синхронные машины применяются для привода насосов в системах перекачки нефти, поддержания и пластового давления и в электроприводе компрессоров газоперекачивающих агрегатов.